圖 1 環(huán)境監(jiān)測起步包結構

"為了滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，環(huán)境保護受到越來越多的重視。以現(xiàn)代測量技術為基礎的環(huán)境監(jiān)測技術可對各種環(huán)境參數(shù)進行測量與分析，是研究環(huán)境質量變化趨勢的重要手段和環(huán)境保護的基礎。"

- 李 誠, 上海聚星儀器有限公司應用工程師

挑戰(zhàn):
環(huán)境監(jiān)測要求系統(tǒng)能夠在戶外較惡劣環(huán)境下監(jiān)測多種環(huán)境參量，包括氣象、振動、噪聲、電磁場、圖像等，主要應用領域包括人居環(huán)境監(jiān)測、結構健康監(jiān)測以及節(jié)能減排項目監(jiān)測，需采用分布式結構。

解決方案:
NI CompactRIO是一款工業(yè)級嵌入式數(shù)據(jù)采集平臺，基于該平臺開發(fā)的采集系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和實時性，并能適應野外工作環(huán)境，我們采用NI CompactRIO豐富的C系列模塊采集各種傳感器輸出的模擬信號，通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C，工作人員可以實時監(jiān)測各種環(huán)境參數(shù)。

作者:
李 誠 - 上海聚星儀器有限公司應用工程師

系統(tǒng)結構及主要特點

環(huán)境監(jiān)測起步包基于NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO和圖形化設計平臺LabVIWE開發(fā)而成，起步包結構如圖 1所示。

圖 1 環(huán)境監(jiān)測起步包結構

各種環(huán)境參量通過相應的傳感器轉化為電信號，電信號通過C系列模塊輸入到CompactRIO中，CompactRIO對采集到的原始信號進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送到監(jiān)控端以及網(wǎng)絡服務器。監(jiān)控端通過TCP/IP協(xié)議與CompactRIO通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示以及控制命令的發(fā)送。瀏覽端用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享和歷史數(shù)據(jù)分析。

環(huán)境監(jiān)測起步包的主要特點有：

1. 自定義的FPGA模塊和豐富的I/O模塊，能夠與幾乎所有的傳感器進行方便的連接；
2. 模塊化的軟件結構，能夠輕松地實現(xiàn)系統(tǒng)的維護與升級；
3. 采用WIFI和3G技術，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸，有利于分布式監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理。

監(jiān)測項目

環(huán)境監(jiān)測起步包的監(jiān)測項目如下：

應用領域 監(jiān)測項目	人居環(huán)境監(jiān)測	結構健康監(jiān)測	節(jié)能減排監(jiān)測
氣象——風向、風速、溫濕度、氣壓、雨量	●	●	●
振動——高低頻振動（結構、地震）	●	●	○
環(huán)境噪聲	●	○	●
低頻電磁場	●	○	○
圖像	●	●	○
運動控制	●	○	○
數(shù)字I/O	●	●	●
自定義	——	——	——

系統(tǒng)指標

1.  CompactRIO板卡指標

模擬輸入 接口類型	電壓、電流、IEPE、電橋
外接傳感器 類型	溫度（熱電偶、RTD）、電壓、電流、電阻、電荷、壓力、應變、 扭矩、位移、加速度、振動、轉速等
模擬通道數(shù)	單機箱4-256通道，支持多機箱級聯(lián)至上千通道
模擬I/O 通道特性	最高采樣率	100kS/s（同步）、800kS/s（多路復選）
	耦合方式	AC/DC
	AD分辨率	12位（經(jīng)濟型）/16位（通用型）/24位（高性能）
	動態(tài)范圍	70dB（經(jīng)濟型）/80dB（通用型）/120dB（高性能）
	通道間串擾	<-110dB
	輸入阻抗	1M&#8486;（典型值）
	最高采樣精度	±0.04%×讀數(shù)值+±0.07%×量程(典型值)
	信號輸入模式	單端，差分
	抗混疊頻率	0.45fs
數(shù)字I/O 通道特性	最高頻率	20MHz
	信號類型	5V/TTL/24V
	工作方式	計數(shù)器/編碼器/PWM/繼電器
通訊接口	以太網(wǎng)、光纖、CAN、RS232/422/485
觸發(fā)采集	數(shù)字觸發(fā)（邊沿、脈沖），模擬觸發(fā)（閾值、區(qū)域、滯后）
存儲容量	片上4G Flash（網(wǎng)絡硬盤擴展）
數(shù)據(jù)吞吐量	單機箱6.4MB/s
功耗	10W(典型值)
工作溫度	-40oC-70oC
可承受隨機振動	5g rms，10-500Hz（IEC 60086-2-64）
可承受正弦振動	5g ，10-500Hz（IEC 60086-2-64）
可承受沖擊	30g，11ms半正弦；50g，3ms半正弦（IEC 60068-2-27）

2. 監(jiān)測指標（標配、可擴展）

溫度：測量范圍-5～55℃

濕度：測量范圍0～100%

振動：測量范圍±250g，頻率范圍0.3～10KHz，靈敏度20mV/g，最小分辨率0.0005g

聲音：頻率范圍20～20KHz，動態(tài)范圍127dB，靈敏度50mV/Pa

電磁波：頻率范圍10～20KHz

系統(tǒng)指標大多受限于選配的傳感器，起步包為了降低系統(tǒng)門檻采用了較低成本的傳感器，對于大多數(shù)驗證和科研可以適用，如果用戶須要更高精度的系統(tǒng)，聚星工程師可以選配更高等級的傳感器。

實物圖及軟件界面

圖 2 系統(tǒng)實物圖

圖 3 系統(tǒng)軟件界面

總結

基于NI CompactRIO平臺開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測起步包能夠監(jiān)測多種環(huán)境參量，系統(tǒng)具有很高可靠性和擴展性。采用NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO進行系統(tǒng)開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性，使得用戶能夠把精力放在數(shù)據(jù)的分析處理上。

聚星儀器是NI的金牌系統(tǒng)聯(lián)盟伙伴，同時也是NI CompactRIO大陸地區(qū)獨家代理商和增值服務商。聚星儀器擁有一支全球頂尖的LabVIEW開發(fā)團隊，以NI CompactRIO為核心開發(fā)了許多創(chuàng)新應用，您可登陸聚星儀器主頁www.vi-china.com.cn 查看更多產(chǎn)品和應用案例，或聯(lián)系聚星儀器CompactRIO技術支持。